微型紫外光纖光譜儀的光學系統設計及性能檢測

王 璐，裘燕青，周盛華，王成群

（1.中國計量學院 光學與電子科技學院，浙江 杭州 310018；2.浙江理工大學 信息學院，浙江 杭州 310018）

近年來，微型光纖光譜儀的快速發展使其在環境監測、農產品／食品檢驗、生物醫學檢測，以及地質／礦業勘探、航空航天等領域的應用得以全面鋪開和延伸［1－4］.目前最常見的光纖光譜儀的波長范圍是400～1100nm，可以探測可見光和一部分近紅外的光.光柵、狹縫和光電探測器的類型與參數會影響光譜范圍，使用新型的光電探測器可以使光譜范圍拓寬至180～2500nm，即覆蓋紫外、可見和近紅外波段.

紫外光譜儀的工作波長范圍通常為180～400nm，多用于原子發射或吸收光譜等檢測領域.例如在對物質元素的發射光譜進行分析時，需要找出元素的最靈敏線（即第一激發態的共振線），一般來說，絕大多數具有中等激發能的元素，其靈敏線分布于近紫外區域［5－6］.在對包括堿土金屬、銅分族和鋅分族金屬元素進行分析時，通常選擇分析其靈敏度更高的原子線，可以利用紫外光譜儀對這些金屬樣品進行定性和定量檢測.微型紫外光譜儀在某些檢測條件很苛刻的特殊領域發揮著非常重要的作用，如對大氣污染的監測、對火山噴射的微量氣體的檢測、對發動機油液中的磨損粒子進行原子發射光譜分析從而判斷該發動機的性能，等等.

本文介紹一種微型紫外光纖光譜儀的光學系統設計.首先，采用非對稱交叉的切尼爾－特納（CT）光路結構，對光學系統的結構參數進行了設計.然后，對不同狹縫寬度和不同光柵刻線下的系統理論分辨率進行了討論.并且，用ZEMAX軟件對光路進行了仿真、結構參數優化和像差校正，得到了較好的分辨率和光學傳遞特性，并使各像差控制在一定范圍內.最后，在本光學設計的基礎上，研制了一臺微型光纖光譜儀樣機，在使用交流電弧激發金屬純鐵樣品的條件下，對原子發射光譜進行了檢測.

1 光路結構

折疊交叉的Czerny－Turner結構（圖1）由光源、光纖、狹縫S、準直鏡 M1、光柵G、聚焦鏡 M2和CCD組成，整個光路結構簡單緊湊、光能利用率高［7－9］.采用非對稱交叉的 Czerny－Turner（CT）結構，光路結構中準直鏡M1、光柵G和聚焦鏡M2的偏心或傾斜增加了系統的可變參量，可有效改善系統的成像質量和光譜強度，既能實現光學系統的微型化，又簡化了光學元件的安裝與調試.

圖1 折疊交叉的Czerny－Turner結構示意圖Figure 1 Schematic diagram of the crossed Czerny－Turner optical path

本文所設計的微型紫外光纖光譜儀的光路系統中，由光源發出的光通過光纖傳輸，經由狹縫再照射到準直鏡M1上，準直后的類平行光束經由平面衍射光柵G分光，再通過聚焦鏡M2成像到背照式面陣CCD上.其中準直鏡M1和聚焦鏡M2均為球面反射鏡，避免了透射式物鏡成像光譜面不平直且影響傳輸光譜范圍的缺點.球面反射鏡的離軸可以有效地避免光線的中心遮擋，雖然離軸拋物面鏡在用作準直和聚焦消像差時比球面反射鏡的性能更好［10］，但由于受到目前光學器件加工水平和加工成本的限制，還未能實現普遍使用.

2 光學系統參數設計

綜合考慮光學系統的光譜范圍、成像質量、系統分辨率、光譜響應靈敏度以及光譜儀器微型化等要求［11］，設計光學系統的初始結構參數（表1），入射狹縫為30μm（多尺寸可選：5、10、20μm），準直物鏡M1和聚焦物鏡M2的曲率半徑r1＝r2＝220mm，平面光柵選擇1800線／mm，閃耀波長為250nm，CCD像敏面有效長度為28.627mm，充分利用CCD的全部像素，可以得到較寬的波長范圍.

表1 結構參數Table 1 The structure parameters mm

3 光譜儀系統理論分辨率分析

非對稱交叉的 Czerny－Turner系統［15］中（圖2），α、β分別為入射光線與準直鏡 M1和聚焦鏡M2法線夾角，i為光線到光柵的入射角，θ為衍射角.

瑞利判據對條件的要求是非常嚴苛的，其使用的前提條件是在理想狹縫下，即狹縫無限細的情況下，并且兩條譜線的輪廓完全相同，然而狹縫過細會犧牲光譜響應靈敏度.

實際情況中，通常定義半峰全寬值FWHM（nm）作為光譜分辨率［13］，即一窄帶譜線在光譜儀中所測得的譜線輪廓下降到最大值的一半時所對應的輪廓寬度.它與光譜儀的光譜覆蓋范圍DL、狹縫寬度WS、檢測器的像元寬度Wd及像元

光譜儀的分辨率是衡量光譜儀器性能的重要指標之一，它表征光譜儀能夠分開波長極為相近的兩譜線的能力.影響光譜儀分辨率的原因有以下幾點［12－13］：1）入射狹縫寬度；2）光柵的分辨本領（衍射現象）；3）系統有效焦長；4）探測器像元尺寸；5）系統像差等.

通常，用瑞利（Rayliegh）提出的僅考慮衍射現象的理論分辨率來討論系統的分辨本領.瑞利認為，當一條譜線的衍射主極大，恰好落在另一條譜線的衍射第一條暗線上時，可認為這兩條譜線剛剛被分辨開.通過公式（1）可計算光譜儀的理論分辨率，表明光柵光譜儀的理論分辨率等于光譜儀的角色散率與有效孔徑在色散平面內的乘積［7］，與光柵常數d、所選取光譜級數m和準直鏡M1的孔徑有關.一般選取第一級光譜檢測時，系統的分辨率取決于物鏡孔徑與光柵常數的比，在選取1800線／mm的光柵和孔徑為25mm的準直鏡時，光譜儀系統的理論分辨率為4.5×103.數n密切相關，其中RF為系統的分辨率因子，由WS與Wd的比值決定［14］.

圖2 非對稱交叉的Czerny－Turner系統Figure 2 Asymmetrical crossed Czerny－Turner system

式（2）中的光譜覆蓋范圍DL取決于光譜儀器所使用衍射光柵的反射光譜特性及探測器的光譜響應范圍，具體與光譜儀聚焦鏡的焦距f2、衍射光柵的刻線數g（groove／mm）、衍射級次m、光柵衍射角θ、檢測器的像元寬度Wd密切相關.

把式（3）帶入式（2）中，得到光柵光譜儀系統分辨率FWHM（nm），式（4）.

由于微型光纖光譜儀在不同環境、領域的運用中，對系統的光譜范圍、分辨率、光譜響應靈敏度等性能參數要求不盡相同，設計者往往要在性能和造價的綜合考慮下，選擇合適的光路結構、光柵種類、光電探測器等，在此基礎上設計和優化結構參數.一般取第一級光譜進行分析，即m＝1，根據不同的光譜范圍和分辨率要求，可選擇狹縫寬度WS為10μm、25μm、50μm、100μm或無狹縫結構等，通常用于紫外波段的光柵有1800grooves／mm、2400grooves／mm等，確定好參數，設計合適的光路系統就可以算出光譜儀系統的理論分辨率.

4 ZEMAX模擬和優化光路

在對該微型光纖光譜儀的光學系統進行設計時，必須對其像差進行一定程度的校正.本光學系統選擇非對稱交叉的C－T結構，與傳統的C－T結構相比較，折疊交叉C－T結構具有相對孔徑大、聚光能力強和雜散光小的特點，同時也能滿足消彗差條件，但卻存在大像散的缺點［15－16］.研究者們提出過很多辦法來校正像散，M.W.McDowell提出對光柵進行發散照明，利用光柵的像散來補償兩球面鏡所帶來的像散［17－18］；薛慶生等提出用超環面聚焦鏡在子午方向和弧矢方向產生不同的焦長來校正像散，fS2＜fT2，從而使 Δf≈0［19］；Kye－Sung Lee等人提出一種在探測器前放置一塊傾斜放置的柱面鏡的方法來補償像散［20］.由于本文模擬的紫外光纖光譜儀光譜范圍較窄，光路系統中可調節的參量多，所以在該波段內可以通過調整光路結構參數來優化整個系統成像質量，在一定程度上減小像散對系統成像質量的影響.

采用ZEMAX軟件對該微型光纖光譜儀的準直系統、色散系統和成像系統的光路進行了優化設計與模擬分析［5］，輸入初始參數（表1），手動調整準直鏡M1、光柵G和聚焦鏡M2的Decenter和Tilt參數，并設為變量.編輯評價函數，以波長作為多重結構參數（180、190、200、210、220、230、240、250、260和270nm），設置偏心和傾斜角為變量并設定參數范圍，以RMS為優化目標.在優化光路的同時輸出像質評價圖表，對比分析各像質評價圖表，重復以上優化操作步驟，使系統滿足要求.優化完成后對像質進行評價.

圖3 設計模擬的3D結果輸出圖Figure 3 3DOutput result of the design and simulation

該光學系統經過ZEMAX模擬優化后，輸出3D結果（圖3），所得出的像質分析圖（圖4－7）.從180～270nm的點列圖（圖4）中可以看出條紋像斑在色散方向規則且集中，說明在優化環節球差和慧差校正較好，能量比較集中.從光線像差光扇圖（圖5）中可以看出對于整個波段來說，曲線基本關于EX和EY對稱分布，說明像差控制在容限內.從場曲和畸變圖（圖6）中可以看出子午光線和弧矢光線間的象散較小，子午方向的場曲在可控范圍之內，各種色光的畸變都比較小.從調制傳遞函數MTF圖（圖7）中可以看出，空間頻率為51p／mm時，傳遞效率50%以上：由于理論上凹面反射鏡的反射率一般在95%，平面衍射光柵的衍射效率一般為25%～40%左右，由此計算最低光能傳遞效率為η≈95%×95%×25%＝22.5%［21］.

圖4 180～270nm的點列圖Figure 4 The spot diagrams of 180～270nm

圖5 光線像差光扇圖Figure 5 Ray aberration fans plot

圖6 場曲和畸變圖Figure 6 Field curve and distortion data

圖7 調制傳遞函數MTF圖Figure 7 Modulation transfer function graph

最后，為了分析驗證該光學系統的分辨率，分別取180nm、230nm和270nm附近6個每相隔0.5nm的波長點，并對其分別列出的點列圖進行分析（圖8）.根據瑞利判據：當一條譜線的衍射主線極強，恰好落在另一條譜線衍射第一條暗線上時，可認為這兩條譜線剛剛被分辨開.該ZEMAX模擬優化結果表明，本光學系統在180～270nm光譜范圍內的分辨率可達到0.5nm.對180nm處分辨率進行分析（圖9），發現其附近6個每相隔0.1nm的波長點恰能分開，說明該光譜儀的模擬光路系統在180nm附近獲得最佳分辨率為0.1nm.

圖8 180nm、230nm、270nm附近的點列圖Figure 8 The spot diagrams of 180nm、230nm、270nm

5 光譜儀實際性能檢測

圖9 180～180.5nm的點列圖Figure 9 The spot diagrams of 180～180.5nm

基于以上光學設計，研制了一臺在紫外波段有良好光譜響應和分辨能力的微型紫外光纖光譜儀樣機.采用飛秒激光刻蝕的30μm不銹鋼材質狹縫，1800線／mm的平面反射光柵，所有反射鏡面均鍍有紫外增強鋁膜.光電探測器為濱淞（Hamamatsu）公司的生產的S10420－1106－01背照式面陣CCD，共有2048個像素，像元尺寸為14μm×14μm.對光譜儀進行裝調后，使用交流電弧激發純鐵，對純鐵的激發光譜進行檢測，實現了在1～2048像素范圍內金屬純鐵的原子發射光譜（圖10（a）（b））.從該圖中可以看出，在光譜范圍內，鐵元素譜線的特征峰密集且細銳（圖10（a）），把整個譜圖局部放大來看，非常接近的像素點上的相鄰譜線能夠很好的分辨開（圖10（b）），且每條特征譜線輪廓相似、對稱性好.說明基于以上光學設計的微型紫外光纖光譜儀，在對金屬純鐵的原子發射光譜實際檢測分析中，能夠滿足分辨率要求，且成像質量良好.

圖10 光譜儀性能測試譜圖Figure 10 Testing spectral graph

6 結 語

本文主要介紹了一種微型紫外光纖光譜儀的光學系統設計，并使用基于該光學設計的光譜儀系統對金屬純鐵的原子發射光譜進行檢測.光學設計中，采用非對稱交叉的C－T光路結構，并對參數進行了設定，對光柵光譜儀系統的理論分辨率進行了討論，分析了系統分辨率（FWHM）與狹縫尺寸、光柵常數之間的關系.使用ZEMAX軟件對光路進行仿真、優化成像質量和像質評價，當采用30μm狹縫和1800線／mm的平面反射光柵時，模擬得出了180～270nm光譜范圍內的總體分辨率優于0.5nm，最高分辨率在180nm處為0.1.最后利用該光譜儀系統對金屬純鐵的原子發射光譜進行了檢測.以后的研究方向為：減小光路系統中像散的影響，拓寬光譜儀紫外光譜優質成像范圍，提高光譜范圍內的整體分辨率.

［1］蘇星，田維堅.微型光譜儀技術的實用化前景展望［J］.光譜儀器與分析，2004（2）：1－3.SU Xing，TIAN Weijian.Practical prospect of micro spectrometer technology［J］.Spectronic Instruments ＆ Analysis，2004（2）：1－3

［2］范世福.光譜技術和光譜儀器的近期發展［J］.現代科學儀器，2007，13（2）：14－19.FAN Shifu.Recent development of spectral technology and instrumentation［J］.Modern Scientific Instruments，2007，13（2）：14－19.

［3］鞠揮，吳一輝.微型光譜儀的發展［J］.微納電子技術，2003，40（1）：30－37.JU Hui，WU Yihui.Development of micro spectrometer［J］.Micronanoelectronic Technology，2003，40（1）：30－37

［4］胡松，溫志渝，陳偉民，等.一種新型微步型光譜儀的設計［J］.壓電與聲光，2000，22（6）：363－366.HU Song，WEN Zhiyu，CHEN Weimin，et al.Design of a novel mini－spectrometer［J］.Piezoelectrics ＆ Acoustooptics，2000，22（6）：363－366.

［5］郭曉龍.基于面陣CCD的微型紫外光譜儀設計［D］.杭州：浙江大學，2011.GUO Xiaolong.Design of micro ultraviolet spectrometer based on Area array CCD［D］.Hangzhou：Zhejiang University，2011.

［6］鄭國經.原子發射光譜分析技術及應用［M］.北京：化學工業出版社，2010：7－75.

［7］李全臣，蔣月娟.光譜儀器原理［M］.北京：北京理工大學出版社，1999：21－26，49－54，112－115.

［8］王宇.小型光纖光譜儀的研究［D］.天津：天津大學，2006.WANG Yu.Research on mini fiber spectrometer［D］.Tianjin：TianJin University，2006.

［9］謝煒，裘燕青.一種微型光纖光譜儀的研制及其性能測試［J］.中國計量學院學報，2012（2）：115－119.XIE Wei，QIU Yanqing.Development and performance testing of portable fiber spectrometer［J］.Journal of China Jiliang University，2012（2）：115－119.

［10］胡玉禧，周紹祥.離軸拋物面反射鏡的成象特性［J］.光子學報，1983，12（1）：47－56.HU Yuxi，ZHOU Shaoxiang.Imaging properties of offaxis parabolic mirrors［J］.Photon Journal，1983，12（1）：47－56.

［11］褚建平.基于CCD的小型化光譜儀的設計與研究［D］.青島：中國海洋大學，2007.CHU Jianping.Design and research of a miniature spectrometer based on CCD［D］.Qingdao：Ocean University of China，2007.

［12］李揚裕，方勇華，劉洋.小型長波紅外光柵光譜儀光學設計［J］.大氣與環境光學學報，2012，7（4）：315－320.LI Yangyu，FANG Yonghua，LIU Yang.Optical design of a miniature long－wave infrared grating spectrometer［J］.Journal of Atmospheric and Environmental Optics，2012，7（4）：315－320.

［13］王興權.光柵光譜儀原理及設計研究［D］.長春：長春理工大學，2005.WANG Xingquan.Research on the theory and device of grating spectrometer［D］.Changchun：Changchun University of Science and Technology，2005.

［14］北京華儀宏盛技術有限公司.光譜儀主要參數［EB／OL］.（2015－09－11）［2015－06－24］.http：／／www.chinahyh.cn／lm2＿view／newsId＝225.html

［15］李建華.談象差及其消除和減少的方法［J］.唐山師專學報，2000（2）：62－64.LI Jianhua.Method for reducing or eliminating aberrations［J］.Journal of Tangshan Teachers College，2000（2）：62－64.

［16］安巖，孫強，劉英，等.交叉型消像散Czerny－Turner結構光譜儀設計［J］.中國光學，2012，5（5）：470－475.AN Yan，SUN Qiang，LIU Ying，et al.The design of astigmatism－free crossed Czerny－Turner spectrometer［J］.Chinese Optics，2012，5（5）：470－475.

［17］MCDOWELL M W.Design of Czerny－Turner spectrographs using divergent grating illumination［J］.Journal of Modern Optics，1975（5）：473－475.

［18］BATES B，MCDOWELL M，NEWTON A C.Correction of astigmatism in a Czerny－Turner spectrograph using a plane grating in divergent illumination［J］.Journal of Physics E：Scientific Instruments，2002，3（3）：206－210.

［19］薛慶生，王淑榮，魯鳳芹.星載車爾尼－特納型成像光譜儀像差校正的研究［J］.光學學報，2009，29（1）：35－40.XUE Qingsheng，WANG Shurong，LU Fengqin.Aberration correction of Czerny－Turner imaging spectrometer carried by satellite［J］.Acta Optica Sinica，2009，29（1）：35－40.

［20］LEE K S，THOMPSON K P，ROLLAND J P.Broadband astigmatism－corrected Czerny－Turner spectrometer［J］.Optics Express，2010，18（22）：23378－23384.

［21］袁旭滄.現代光學設計方法［M］.北京：北京理工大學出版社，1995：3－53.